CN114172008A - 多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法 - Google Patents

多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤激光器技术领域，公开了一种多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法，装置设置有：泵浦源、波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关隔离器、第一SMS结构、第二SMS结构、90：10输出耦合器、双模长周期光纤光栅、第一偏振控制器、激光特性监测设备、多模光纤、第二偏振控制器件、多模光纤以及第三偏振控制器件。本发明提供的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法，可以满足大容量光纤通信系统的要求，降低通信系统的成本，突破了单模光纤通信容限趋近香农极限的限制在光纤通信系统方面有广阔的应用前景。

Description

多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法。
背景技术
目前，被动锁模多波长光纤激光器可以产生一个波长或者两个波长，可以满足大容量光纤通信系统的要求，大大降低了通信系统的成本，发展迅速。由于其具优越的性能，使它在未来的远距离光纤通信，激光武器，光纤传感等方面有重要的意义。
迄今为止，已经有很多种方法可以实现多波长输出，比如使用马赫-曾德尔干涉仪、相移光栅、Sagnac环等、但是其均为主动调制器件，其成本较高且对温度，震动等工作条件要求较高，因此在很多应用环境中无法稳定输出，实用性非常有限。
加入主动调制器件实现多波长，其成本较高，且对温度、震动等工作条件要求较高，因此在很多应用环境中无法稳定输出，实用性非常有限。而实现锁模的方法也有很多，比如NPR、NALM、二维材料和模式干涉等。其中，NPR、NALM稳定性极差，受环境因素影响较大，二维材料制造成本高易受环境湿度影响，影响锁模稳定性。
而模式干涉锁模技术是全光纤化结构，它的结构非常简单，具有高损伤阈值，因此在锁模光纤激光器领域应用广泛。但是在现有模式干涉技术中尚未具有能够在同一个激光器装置中实现单波长可调谐和双波长锁模。若要在多波长光纤激光器基础上进一步拓宽光纤激光器通信容限，则需要再一个维度，在输出端进行模分复用，目前主要通过设计光学元件，比如液晶、光栅、螺旋相位板等，将激光器输出光束的偏振态直接转换为柱对称偏振态。但上述方法产生柱矢量光场需要对空间光路精确调整才能实现柱状矢量光束的产生，而且转换效率比较低，模式的纯度也相对较低。因此，亟需一种新的、能够同时实现多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法，以弥补现有技术的空白。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)在现有模式干涉技术中尚未具有能够在同一个激光器装置中实现单波长可调谐和双波长锁模。
(2)现有通过加入主动调制器件实现多波长，其成本较高，且对温度、震动等工作条件要求较高，故在很多应用环境中无法稳定输出，实用性非常有限。
(3)现有的锁模方法中，NPR、NALM稳定性极差，受环境因素影响较大，二维材料制造成本高亦易受环境湿度影响，影响锁模稳定性。
(4)现有方法产生柱矢量光场需要对空间光路精确调整才能实现柱状矢量光束的产生，转换效率比较低，模式的纯度也相对较低。
解决以上问题及缺陷的难度为：
现有的锁模方法中，NPR、NALM稳定性极差，受环境因素影响较大，二维材料制造成本高易受环境湿度影响，影响锁模稳定性。通过加入主动调制器件实现多波长，其成本较高，且对温度、震动等工作条件要求较高，故在很多应用环境中无法稳定输出，实用性非常有限。而现有产生柱矢量光场的方法需要对空间光路精确调整才能实现柱状矢量光束的产生，转换效率比较低，模式的纯度也相对较低。
解决以上问题及缺陷的意义为：
利用全光纤结构输出圆柱形矢量光束可以有效对提升光纤通信容限，并降低制造成本。
使用模式干涉技术实现单波长可调谐和双波长锁模光纤激光器，可以减少主动调制器件的加入，降低制造的成本。
在激光器输出光束的基础上加入双模长周期光纤光栅可以形成模分复用系统，实现圆柱形矢量光束输出，可以使得转换效率更高，模式的纯度也相对较高。
本光纤激光器结构为全光纤结构，不受环境温度、湿度、空间震动的影响，相对稳定性更高，并能够满足大容量光纤通信系统的要求，进一步提高光纤通信系统传输容量，是当前通信业界的研究热点和重点，大大降低了通信系统的成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法，尤其涉及一种基于SMS结构的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法。
本发明是这样实现的，一种多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置，设置有：
976nm泵浦源，用于对激光工作物质进行激励；
所述976nm泵浦源经过光纤接入980/1550nm波分复用器，所述波分复用器用于将泵浦源发出的光和信号光耦合进同一根光纤；
所述掺铒增益光纤熔接有偏振无关隔离器，所述偏振无关隔离器用于只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件；
所述偏振无关隔离器熔接有第一SMS结构，所述第一SMS结构熔接有第二SMS结构，所述第二SMS结构熔接90：10输出耦合器；
所述输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构使光返回腔内进行继续振荡反馈，输出耦合器10％输出口一部分光输出进行观测；
所述输出耦合器10％输出口熔接有双模长周期光纤光栅，双模长周期光纤光栅熔接有第一偏振控制器，所述第一偏振控制器熔接有激光特性监测设备。
进一步，所述980/1550nm波分复用器熔接有掺铒增益光纤，所述掺铒增益光纤用于受到泵浦光激励时，激发出1.55μm波段的激光。
进一步，所述第一SMS结构由渐变折射率多模光纤GIMF两边连接单模光纤SMF组成；其中，所述GIMF上面缠绕着第二偏振控制器，通过旋转第二偏振器使第一SMS起到滤波器或者可饱和吸收器的作用；
所述第二SMS结构由渐变折射率多模光纤GIMF两边连接单模光纤SMF组成；其中，所述GIMF上面缠绕着第三偏振控制器，通过旋转第三偏振器使第二SMS结构起到滤波器或者可饱和吸收器的作用。
进一步，所述双模长周期光纤光栅用于实现圆柱形矢量光束输出；
进一步，所述第一偏振控制器用于调整通过双模长周期光纤光栅输出的圆柱形矢量光束，所述旋转第一偏振控制器用于实现圆柱形矢量光束的模式LP01到LP11的转换。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的方法，包括以下步骤：
步骤一，所述976nm泵浦源、980/1550nm波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关隔离器、第一SMS结构、第二SMS结构、90：10输出耦合器、输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构，输出耦合器10％输出口输出一部分光进行观测；
步骤二，输出耦合器10％输出口熔接有双模长周期光纤光栅，双模长周期光纤光栅用于实现圆柱形矢量光束输出。
进一步，所述多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法进一步包括：
(1)将所述976nm泵浦源、980/1550nm波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关隔离器、第一SMS结构、第二SMS结构、90：10输出耦合器、输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构，输出耦合器10％输出口输出一部分光进行观测；
(2)若第一SMS结构、第二SMS结构均起可饱和吸收器作用时，则产生双波长锁模输出；
(3)若第一SMS结构起滤波器作用、第二SMS结构起可饱和吸收器作用时，或者若第一SMS结构起可饱和吸收器作用、第二SMS结构起滤波器作用时，则只能输出单波长可调谐锁模输出。
本发明的另一目的在于提供一种被动锁模多波长光纤激光器，所述被动锁模多波长光纤激光器搭载所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置。
本发明的另一目的在于提供一种所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置在远距离光纤通信，激光武器，光纤传感领域上的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法，可以满足大容量光纤通信系统的要求，大大降低了通信系统的成本，其经济性高在波分复用系统方面有广阔的应用前景。本发明提供的基于SMS结构的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法常用于模分复用提高系统传输容量，模分复用进一步突破了单模光纤通信容限趋近香农极限的限制得到了通信业界的密切关注。
本发明的激光器为全光纤结构，不受环境温度、湿度、空间震动的影响，相对稳定性更高。本发明的激光器通过调节SMS结构中GIMF中激光的偏振态，实现了单波长可调谐和双波长锁模输出，并能够满足大容量光纤通信系统的要求，大大降低了通信系统的成本。而在本激光器输出光束的基础上加入双模长周期光纤光栅进行模分复用，可以实现圆柱形矢量光束输出，转换效率更高，模式的纯度也相对较高，可以进一步拓宽光纤激光器通信容限。
本发明的基于SMS结构的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法，可实现单波长可调谐操作和双波长锁模操作，且两种操作可以互相切换，并且通过输出端外加一个双模长周期光纤光栅，可以实现激光模式LP01到LP11的转换，可实现圆柱形矢量光束输出。本发明使用模式干涉技术实现多波长锁模光纤激光器，可以减少主动调制器件的加入，降低制造的成本；而在激光器输出光束的基础上加入双模长周期光纤光栅可以形成模分复用系统，实现圆柱形矢量光束输出，可以使得转换效率更高，模式的纯度也相对较高。本光纤激光器结构为全光纤结构，不受环境温度、湿度、空间震动的影响，相对稳定性更高，并能够满足大容量光纤通信系统的要求，进一步提高光纤通信系统传输容量，是当前通信业界的研究热点和重点，大大降低了通信系统的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置结构示意图；
图中：1、976nm泵浦源；2、980/1550nm波分复用器；3、掺铒增益光纤；4、偏振无关隔离器；5、第一SMS结构；6、第二SMS结构；7、90：10输出耦合器，输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构使光返回腔内进行继续振荡反馈，输出耦合器10％输出口一部分光输出进行观测，输出耦合器10％输出口熔接有；8、双模长周期光纤光栅；9、第一偏振控制器；10、激光特性监测设备；11、多模光纤；12、第二偏振控制器件；13、多模光纤；14、第三偏振控制器件。
图3是本发明实施例提供的SMS结构原理示意图。
图4是本发明实施例提供的可调谐单波长锁模输出光谱图。
图5是本发明实施例提供的双波长锁模输出光谱图。
图6是本发明实施例提供的双模长周期光纤光栅透射光谱及实物电镜图。
图7是本发明实施例提供的激光器输出的圆柱形矢量光束的空间分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的方法包括以下步骤：
S101，将所述976nm泵浦源、980/1550nm波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关隔离器、第一SMS结构、第二SMS结构、90：10输出耦合器、输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构，输出耦合器10％输出口输出一部分光进行观测；
S102，输出耦合器10％输出口熔接有双模长周期光纤光栅，双模长周期光纤光栅用于实现圆柱形矢量光束输出。
如图2所示，本发明实施例提供的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置，设置有：
976nm泵浦源(1)，用于对激光工作物质进行激励；
976nm泵浦源(1)经过光纤接入980/1550nm波分复用器(2)；
980/1550nm波分复用器(2)熔接有掺铒增益光纤(3)，掺铒增益光纤(3)用于受到泵浦光激励时，会激发出1.55μm波段的激光；
掺铒增益光纤(3)熔接有偏振无关隔离器(4)，偏振无关隔离器(4)用于只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件；
偏振无关隔离器(4)熔接有第一SMS结构(5)；第一SMS结构(5)熔接有第二SMS结构(6)，第二SMS结构(6)熔接90：10输出耦合器(7)；
第一SMS结构(5)由渐变折射率多模光纤GIMF(11)两边连接单模光纤SMF组成，其中GIMF上面缠绕着第二偏振控制器(12)，通过旋转第二偏振器(12)可以使第一SMS起到滤波器或者可饱和吸收器的作用；
第二SMS结构(6)由渐变折射率多模光纤GIMF(13)两边连接单模光纤SMF组成，其中GIMF上面缠绕着第三偏振控制器(14)，通过旋转第三偏振器(14)可以使第二SMS结构起到滤波器或者可饱和吸收器的作用；
输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构使光返回腔内进行继续振荡反馈，输出耦合器10％输出口一部分光输出进行观测，输出耦合器10％输出口熔接有双模长周期光纤光栅(8)，双模长周期光纤光栅(8)熔接有第一偏振控制器(9)，第一偏振控制器(9)熔接有激光特性监测设备(10)；
双模长周期光纤光栅(8)用于实现圆柱形矢量光束输出；
第一偏振控制器(9)用于调整通过双模长周期光纤光栅输出的圆柱形矢量光束，旋转第一偏振控制器可以实现圆柱形矢量光束的模式LP01到LP11的转换。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
如图2所示，976nm泵浦源经过光纤接入980/1550nm波分复用器；980/1550nm波分复用器熔接有掺铒增益光纤；掺铒增益光纤熔接有偏振无关隔离器；偏振无关隔离器熔接有第一SMS结构；第一SMS结构熔接有第二SMS结构，第二SMS结构熔接90：10输出耦合器，输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构使光返回腔内进行继续振荡反馈，输出耦合器10％输出口一部分光输出进行观测，输出耦合器10％输出口熔接有双模长周期光纤光栅，双模长周期光纤光栅熔接有第一偏振控制器，第一偏振控制器熔接有激光特性监测设备。
而两个SMS结构中均缠绕着一个偏振控制器，通过旋转偏振控制器可以使得SMS结构起到锁模元件作用或者起到滤波器或者可饱和吸收器的作用。
如图3所示，利用SMS结构的模式干涉效应，即当光从SMF传入GIMF中，基模传输的光在多模光纤中激发出高阶模式，这些高阶模式在多模光纤中相干叠加，当所有激发模式之间相位差满足2π得整数倍时，高阶模式相干叠加汇聚形成一个与单模光纤传入的基模光相似的重现光场。这种相干叠加效应被称为模式干涉效应，形成的重现光场沿着SMS纵向周期分布，重现光场被称为自成像点。由于折射率取决于光的频率，GIMF中输入光的自成像效应与输入光的频率有关，从输入端SMF通过GIMF再到输出端SMF的耦合效率也取决于光的频率。在模式干涉效应中，GIMF中激发的高阶模之间相位差满足
Figure BDA0003342474010000091
时，SMS结构可以等效为低通滤波器，当GIMF中激发的高阶模之间相位差满足
Figure BDA0003342474010000092
时，SMS结构可以等效为高通滤波器，当GIMF中激发的高阶模之间相位差满足2kπ时，SMS结构可以等效为带通滤波器，当GIMF中激发的高阶模之间相位差满足π+2kπ时，SMS结构可以等效为可饱和吸收体，在环形腔中起可饱和吸收作用。
如图4所示，或者第一SMS结构起滤波器作用、第二SMS结构起可饱和吸收器作用时，或者第一SMS结构起可饱和吸收器作用、第二SMS结构起滤波器作用时，则只能输出单波长可调谐锁模输出。本发明实施例可以实现1541-1564nm单波长可调谐锁模输出。
如图5所示，若第一SMS结构、第二SMS结构均起可饱和吸收器作用时，则可以产生双波长锁模输出，图中给实验过程中实现的1544.02nm&1558.7nm和1542.8nm&1562.925nm双波长锁模输出。
如图6所示，为了验证是否能在不同的波长下产生稳定的圆柱形矢量光束，本发明测量了双模长周期光纤光栅的透射光谱图如图6(a)所述，其周期数为18，它完全覆盖了锁模激光器的超快脉冲的光谱。
双模长周期光纤光栅的实物电镜图如图6(b)所示，所用的光栅间距为710μm。双模长周期光纤光栅是由二氧化碳激光器刻在渐变折射率双模光纤上的。
如图7所示，显示了输出圆柱形矢量光束的空间分布，这些光束具有环形强度分布。通过旋转第一偏振控制器可以实现激光模式LP01到LP11的转换。
本发明的一种基于SMS结构的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法及装置，可实现单波长可调谐操作和双波长锁模操作，且两种操作可以互相切换。并且通过输出端外加一个双模长周期光纤光栅，可以实现激光模式LP01到LP11的转换，可实现圆柱形矢量光束输出。使用模式干涉技术实现单波长可调谐和双波长锁模光纤激光器，可以减少主动调制器件的加入，降低制造的成本。而在激光器输出光束的基础上加入双模长周期光纤光栅可以形成模分复用系统，实现圆柱形矢量光束输出，可以使得转换效率更高，模式的纯度也相对较高。本光纤激光器结构为全光纤结构，不受环境温度、湿度、空间震动的影响，相对稳定性更高，并能够满足大容量光纤通信系统的要求，进一步提高光纤通信系统传输容量，是当前通信业界的研究热点和重点，大大降低了通信系统的成本。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置，其特征在于，所述多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置，设置有：
泵浦源，用于对激光工作物质进行激励；
所述泵浦源经过光纤接入波分复用器，所述波分复用器用于将泵浦源发出的光和信号光耦合进同一根光纤；
所述掺铒增益光纤熔接有偏振无关隔离器，所述偏振无关隔离器用于只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件；
所述偏振无关隔离器熔接有第一SMS结构，所述第一SMS结构熔接有第二SMS结构，所述第二SMS结构熔接输出耦合器；
所述输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构使光返回腔内进行继续振荡反馈，输出耦合器10％输出口一部分光输出进行观测；
所述输出耦合器10％输出口熔接有双模长周期光纤光栅，双模长周期光纤光栅熔接有第一偏振控制器，所述第一偏振控制器熔接有激光特性监测设备。
2.如权利要求1所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置，其特征在于，所述波分复用器熔接有掺铒增益光纤，所述掺铒增益光纤用于受到泵浦光激励时，激发出1.55μm波段的激光。
3.如权利要求1所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置，其特征在于，所述第一SMS结构由渐变折射率多模光纤GIMF两边连接单模光纤SMF组成；其中，所述GIMF上面缠绕着第二偏振控制器，通过旋转第二偏振器使第一SMS起到滤波器或者可饱和吸收器的作用；
所述第二SMS结构由渐变折射率多模光纤GIMF两边连接单模光纤SMF组成；其中，所述GIMF上面缠绕着第三偏振控制器，通过旋转第三偏振器使第二SMS结构起到滤波器或者可饱和吸收器的作用。
4.如权利要求1所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置，其特征在于，所述双模长周期光纤光栅用于实现圆柱形矢量光束输出。
5.如权利要求1所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置，其特征在于，所述第一偏振控制器用于调整通过双模长周期光纤光栅输出的圆柱形矢量光束，所述旋转第一偏振控制器用于实现圆柱形矢量光束的模式LP01到LP11的转换。
6.一种应用如权利要求1～5任意一项所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的方法其特征在于，所述多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的方法包括以下步骤：
步骤一，所述976nm泵浦源、980/1550nm波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关隔离器、第一SMS结构、第二SMS结构、90：10输出耦合器、输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构，输出耦合器10％输出口输出一部分光进行观测；
步骤二，输出耦合器10％输出口熔接有双模长周期光纤光栅，双模长周期光纤光栅用于实现圆柱形矢量光束输出。
7.如权利要求6所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的方法，其特征在于，所述多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置及方法进一步包括：
(1)将所述976nm泵浦源、980/1550nm波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关隔离器、第一SMS结构、第二SMS结构、90：10输出耦合器、输出耦合器90％输出口与所述波分复用器熔接构成环形腔结构，输出耦合器10％输出口输出一部分光进行观测；
(2)若第一SMS结构、第二SMS结构均起可饱和吸收器作用时，则产生双波长锁模输出；
(3)若第一SMS结构起滤波器作用、第二SMS结构起可饱和吸收器作用时，或者若第一SMS结构起可饱和吸收器作用、第二SMS结构起滤波器作用时，则只能输出单波长可调谐锁模输出。
8.一种被动锁模多波长光纤激光器，其特征在于，所述被动锁模多波长光纤激光器搭载权利要求1～5任意一项所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置。
9.一种如权利要求1～5任意一项所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置在远距离光纤通信领域上的应用。
10.一种如权利要求1～5任意一项所述的多波长锁模光纤激光器输出圆柱形矢量光束的装置在激光武器，光纤传感领域上的应用。
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